姜明利，佘建軍

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.玉溪市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，云南 玉溪 653100）

1 前言

水電站水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械缺陷，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組不平衡振動(dòng)發(fā)生變化，機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不圓，也是一種機(jī)械缺陷，機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不圓造成機(jī)組旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量偏心而產(chǎn)生機(jī)械不平衡力；同時(shí)造成發(fā)電機(jī)氣隙間隙不均勻而產(chǎn)生電磁不平衡力，從而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生不平衡振動(dòng)。

文章以某水電站水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不圓的機(jī)械缺陷引起機(jī)組不平衡振動(dòng)情況進(jìn)行分析。

2 基本情況

電站共裝有4 臺(tái)單機(jī)容量為300 MW 的立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，首臺(tái)機(jī)組于1998 年12 月投產(chǎn)發(fā)電，3 號(hào)機(jī)組于1999 年12 月發(fā)電，投產(chǎn)后1 號(hào)、2號(hào)、4 號(hào)機(jī)組運(yùn)行正常，3 號(hào)機(jī)組多年運(yùn)行過(guò)程中存在振動(dòng)和擺度偏大的問(wèn)題。

3 號(hào)機(jī)組投產(chǎn)后，于2000 年9 月進(jìn)行了常規(guī)大修，由于機(jī)組振動(dòng)、擺度偏大，大修期間請(qǐng)主機(jī)廠家進(jìn)行了配重（當(dāng)時(shí)配重380 kg），配重后振動(dòng)、擺度情況有一定改善，但部分工況還存定偏大超標(biāo)。

2006 年5 月，針對(duì)3 號(hào)機(jī)組振動(dòng)和擺度變大問(wèn)題，電廠進(jìn)行了試驗(yàn)配重，配重量243 kg，方位與2000 年配重方位相差30°左右，配重后振動(dòng)、擺度情況有較大的改善。

2013 年12 月，針對(duì)3 號(hào)機(jī)組振動(dòng)、擺度增大問(wèn)題，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了再次的配重，配重量為145 kg，方位與2006 年配重方位相差180°。

2014 年12 月，3 號(hào)機(jī)組大修，重新進(jìn)行了配重，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行了調(diào)整檢查。本次大修后，機(jī)組振動(dòng)不平衡情況有所改善，至今運(yùn)行情況良好。

3 問(wèn)題思考

（1）3 號(hào)機(jī)組，自1999 年12 月投產(chǎn)發(fā)電，先后于2000 年9 月、2006 年5 月、2013 年12 月 進(jìn) 行 了3次配重，配重的質(zhì)量和方位每次都有不同。

（2）每次配重后，機(jī)組的振動(dòng)和擺渡情況都有所好轉(zhuǎn)，能滿(mǎn)足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求，振動(dòng)和擺度基本在合理的運(yùn)行范圍，機(jī)組的運(yùn)行情況相對(duì)都比較理想，但是，隨著時(shí)間的推移和機(jī)組的運(yùn)行，3 號(hào)機(jī)組的振動(dòng)和擺度在逐漸的增大，出現(xiàn)振動(dòng)和擺度超標(biāo)問(wèn)題。

（3）機(jī)組的振動(dòng)和擺度，為什么會(huì)隨著時(shí)間而逐漸增大：2000 年配重后，振動(dòng)和擺度情況良好，運(yùn)行到2006 年，機(jī)組的振動(dòng)擺度明顯增大，出現(xiàn)超標(biāo)。2006 年5 月配重后，機(jī)組振動(dòng)和擺度達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，到2013 年又出現(xiàn)超標(biāo)這樣的問(wèn)題。

（4）配重為什么會(huì)發(fā)生變化，三次配重的方位變化，特別是2006 年和2013 年12 月的兩次配重的方位相差180°？同時(shí)，配重的重量相對(duì)偏大，這種變化是有那種原因引起的，是什么樣的不平衡力導(dǎo)致的，這種變化為什么是一種緩慢的變化？電站共裝有4 臺(tái)相同的機(jī)組，為什么只有3 號(hào)機(jī)組出現(xiàn)這樣的問(wèn)題？

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)電站提供的資料，對(duì)1999 年機(jī)組初期安裝的盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)、2006 年機(jī)組擴(kuò)大性大修拆機(jī)前的盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)和拆機(jī)回裝后的盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)、以及2014 年11 月機(jī)組擴(kuò)大性大修拆機(jī)前的盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)等機(jī)組安裝和檢修過(guò)程中的部分盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析認(rèn)為：

（1）機(jī)組的歷次盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)都能很好的反映軸線的情況，盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)基本滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求，機(jī)組軸線情況良好。

（2）根據(jù)電站在線振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和幾次的離線振擺檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，機(jī)組的軸線運(yùn)行軌跡良好，軸線的運(yùn)行姿態(tài)良好。

（3）機(jī)組三導(dǎo)軸承的運(yùn)行中心沒(méi)有問(wèn)題，能滿(mǎn)足機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定的要求。

4.2 配重試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)配重前的變轉(zhuǎn)速和變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析以及多次試配重情況，發(fā)現(xiàn)機(jī)組的振動(dòng)和擺度受機(jī)組勵(lì)磁變化影響較大，決定機(jī)組最終配重在100%勵(lì)磁情況下進(jìn)行，同時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)，以觀察機(jī)組振動(dòng)和擺度的變化情況。

分析配重前后變轉(zhuǎn)速，變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖1～圖5）：

（1）配重前變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度隨機(jī)組轉(zhuǎn)速變化不大，但機(jī)組上機(jī)架和定子外殼水平振動(dòng)隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高而增大。

（2）配重前變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組上下導(dǎo)及水導(dǎo)擺度受勵(lì)磁變化影響不大，但機(jī)組的上機(jī)架和定子外殼水平振動(dòng)較沒(méi)加勵(lì)磁之前有明顯的增大，同時(shí)隨著勵(lì)磁的變化而變化，說(shuō)明機(jī)組的振動(dòng)和機(jī)組勵(lì)磁變化有很大的關(guān)系。

（3）配重后變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，比較配重前，機(jī)組的上下導(dǎo)擺度略有增大，機(jī)組的上機(jī)架和定子外殼的振動(dòng)有所減少，但總的變化不大。

（4）配重后變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，比較配重前，機(jī)組上導(dǎo)擺度有所增加，下導(dǎo)擺度隨勵(lì)磁變化先增加后降低，機(jī)組上機(jī)架和定子外殼振動(dòng)明顯降低，說(shuō)明配重后機(jī)組振動(dòng)情況有明顯好轉(zhuǎn)。

通過(guò)配重前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以看到，機(jī)組振動(dòng)和勵(lì)磁有直接的關(guān)系，說(shuō)明機(jī)組存在不平衡磁拉力。

圖1 配重前后擺度隨轉(zhuǎn)速變化對(duì)比圖

圖2 配重前后振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化對(duì)比圖

圖3 配重前后擺度隨勵(lì)磁變化對(duì)比圖

圖4 配重前后振動(dòng)隨勵(lì)磁變化對(duì)比圖

圖5 配重后擺度及振動(dòng)隨負(fù)荷變化曲線圖

4.3 轉(zhuǎn)子圓度檢查數(shù)據(jù)分析

對(duì)比1999 年新裝機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)子圓度檢查數(shù)據(jù)和2006 年12 月大修拆機(jī)前后的轉(zhuǎn)子圓度檢查數(shù)據(jù)，可以看出，1999 年初裝時(shí)和2006 年12 月大修拆機(jī)前的轉(zhuǎn)子圓度檢查數(shù)據(jù)有很大的差別。

1999 年初裝時(shí)的轉(zhuǎn)子圓度基本情況良好，但是，2006 年12 月份大修拆機(jī)前的檢查數(shù)據(jù)顯示，轉(zhuǎn)子最大最小半徑差約1.7～2.09 mm（8 號(hào)磁極位置），且半徑分布形式，出現(xiàn)一面偏小，另一面偏大的現(xiàn)象。

2006 年12 月，3 號(hào)機(jī)組的大修記錄，對(duì)轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行了調(diào)整，利用專(zhuān)用吊具拆卸、并重新掛裝磁極，通過(guò)調(diào)整磁極背后T 型槽內(nèi)墊條的厚度，從而改變轉(zhuǎn)子圓度。調(diào)整后，轉(zhuǎn)子最大最小半徑差0.6 mm，轉(zhuǎn)子最大中心偏差約0.15 mm，且轉(zhuǎn)子半徑分布形式較好，未出現(xiàn)一面偏小，另一面偏大的現(xiàn)象。

2014年12月，3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，3 號(hào)機(jī)組的轉(zhuǎn)子圓度較2006 年大修后的圓度測(cè)量數(shù)據(jù)又有很大的變化，轉(zhuǎn)子圓度再次出現(xiàn)一面偏大，一面偏小的現(xiàn)象，9～20 號(hào)磁極處轉(zhuǎn)子圓度明顯凸出偏大，轉(zhuǎn)子圓度最大最小偏差：上部1.79 mm，中部2.05 mm，下部2.84 mm（13 號(hào)磁極位置）。

1999 年12 月機(jī)組投運(yùn)到2006 年12 月大修拆機(jī)，機(jī)組的轉(zhuǎn)子圓度發(fā)生這么大的變化，說(shuō)明轉(zhuǎn)子的磁極或者磁軛發(fā)生了變化，可能出現(xiàn)了松動(dòng)或者變形。這將引起轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量不平衡和磁拉力的不平衡，從而引起機(jī)組振動(dòng)和擺度的增大。

對(duì)比2006 年12 月機(jī)組大修和2014 年12 月機(jī)組大修，兩次拆機(jī)測(cè)量的轉(zhuǎn)子圓度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子圓度呈現(xiàn)相同的變化現(xiàn)象：出現(xiàn)一邊偏大，一邊偏小的情況，而且方位很接近，2006 年12 月偏大的部為在4～15 號(hào)磁極處，2014 年12 月圓度偏大位置在9～20號(hào)磁極處，轉(zhuǎn)子中心明顯發(fā)生偏移。

圖6 轉(zhuǎn)子圓度對(duì)比分析圖

4.4 轉(zhuǎn)子磁軛圓度檢查數(shù)據(jù)分析

對(duì)1999 年機(jī)組初裝時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，2006 年12月機(jī)組大修的測(cè)量數(shù)據(jù)，2014 年12 月機(jī)組大修測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

數(shù)據(jù)顯示，1999 年初裝時(shí)轉(zhuǎn)子圓度情況相對(duì)較好；2006 年大修時(shí)，數(shù)據(jù)偏少，但也呈現(xiàn)出一邊大一邊小的現(xiàn)象，磁極16 號(hào)位置相對(duì)最大（最大最小差1.2 mm）；2014 年12 月的磁軛測(cè)量數(shù)據(jù)，比較明顯，10～20 號(hào)磁極處明顯偏大（16 號(hào)磁極最大最小差上部1.6 mm，中部1.54 mm，下部2.39 mm）。

2006 年12 月的大修，對(duì)磁軛基本沒(méi)有處理，根據(jù)大修記錄，磁軛的處理方案為：鑒于磁軛外圓的現(xiàn)狀，請(qǐng)?jiān)诎惭b時(shí)注意高點(diǎn)的打磨工作。也就是說(shuō)，2006 年12 月的大修，基本上沒(méi)有對(duì)磁軛進(jìn)行處理。

2014 年12 月的數(shù)據(jù)顯示：磁軛上中下3 個(gè)斷面的直徑并不一致，變形量也不同，呈上大下小的錐形，同時(shí)還存在一定的傾斜。

圖7 轉(zhuǎn)子磁軛圓度對(duì)比分析

4.5 轉(zhuǎn)子圓度與磁軛圓度情況對(duì)比

將2014 年轉(zhuǎn)子圓度和磁軛圓度的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，磁軛圓度和轉(zhuǎn)子圓度的軌跡基本相同，偏大偏小的方位基本一致。說(shuō)明，轉(zhuǎn)子整體圓度的變化和磁軛的變化之間有一定的關(guān)系，但具體的變形量還是有一些差別。

圖8 轉(zhuǎn)子圓度與磁軛圓度對(duì)比分析

4.6 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

將轉(zhuǎn)子圓度、磁軛圓度圖進(jìn)行對(duì)比，2006 年5月的配重位置在轉(zhuǎn)子圓度和磁軛圓度的偏小方位，2013 年12 月的配重位置在轉(zhuǎn)子圓度和磁軛圓度偏大的方位。

根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象推斷，2000 年機(jī)組配重后，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量、磁拉力處在平衡的位置，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，隨著機(jī)組的運(yùn)行，轉(zhuǎn)子磁極和磁軛發(fā)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)和變形，由此產(chǎn)生了新的質(zhì)量不平衡和磁拉力不平衡，造成機(jī)組的振動(dòng)和擺度增大，不平衡力增加的方位就在轉(zhuǎn)子和磁軛相對(duì)位置凸出的方位，也就是在10～20 磁極號(hào)的方位，2006 年5 月的配重，正好也就處在了10～20 號(hào)磁極對(duì)應(yīng)的反方向位置（32～34 號(hào)磁極的位置）。

2006 年12 月3 號(hào)機(jī)組進(jìn)行大修，大修期間，沒(méi)有對(duì)磁軛進(jìn)行處理，只是在磁極的掛裝的時(shí)候，調(diào)整了磁極的T 型鍵，對(duì)松動(dòng)的拉桿螺栓進(jìn)行了調(diào)整，保證了轉(zhuǎn)子外圓的相對(duì)圓度，從根本上并沒(méi)有改變轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量和磁拉力的變化。

2006 年12 月大修后至2013 年12 月期間，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中造成轉(zhuǎn)子的磁軛和磁極產(chǎn)生新的松動(dòng)和變形，產(chǎn)生新的質(zhì)量不平衡和磁拉力不平衡。

2014 年轉(zhuǎn)子磁軛圓度，呈上大下小的錐形，同時(shí)，還有一定的傾斜現(xiàn)象。磁軛圓度的變化應(yīng)該是造成2013 年12 月配重的原因。

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象分析，造成3 號(hào)機(jī)組振動(dòng)變化的原因，應(yīng)該就是轉(zhuǎn)子磁軛和磁極的變形以及松動(dòng)造成的，機(jī)組大修處理的重點(diǎn)也是處理磁極和磁軛，分析磁極和磁軛變形和松動(dòng)的原因，并進(jìn)行磁極和磁軛的調(diào)整和處理。

2014 年的機(jī)組大修，針對(duì)機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了調(diào)整檢查，通過(guò)調(diào)整間隙、磁極拉桿螺栓拉緊等措施，盡量減少轉(zhuǎn)子的不圓度，同時(shí)在機(jī)組帶100%勵(lì)磁情況下進(jìn)行了配重，本次大修后，機(jī)組振動(dòng)情況有所改善，至今運(yùn)行情況良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該電站3 號(hào)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析及多次機(jī)組檢修處理情況來(lái)看，造成機(jī)組振動(dòng)及振動(dòng)隨時(shí)間變化的根本原因是不平衡磁拉力，該不平衡磁拉力的產(chǎn)生是由于機(jī)組轉(zhuǎn)子磁軛的不圓以及磁極松動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子不圓等機(jī)械缺陷造成的，說(shuō)明機(jī)組在設(shè)計(jì)、制造、安裝等環(huán)節(jié)還存在問(wèn)題，在以后機(jī)組的運(yùn)行和檢修過(guò)程中需要引起注意和重視。